Доказательства положений сейсморазведки

Статья написана в качестве ответа на вопрос с форума

Гликман А.Г.
НТФ "ГЕОФИЗПРОГНОЗ"
26 декабря 2016, Санкт-Петербург

Основой, так называемой, лучевой, традиционной сейсморазведки является совокупность очевидностей, в которых нормальный здравомыслящий человек сомневаться не может.

Представляется очевидным, что:

В результате ударного воздействия на земную поверхность возникает импульс поля упругих колебаний, который распространяется в земной толще во всех направлениях. Это можно представить себе как совокупность лучей, берущих свое начало в точке ударного воздействия и распространяющихся во все стороны в пределах земной толщи, которые преломляются и отражаются на границах отдельных геологических структур.
В твердых звукопроводящих средах распространяются различные типы упругих колебаний. В простейшем случае, это продольные и поперечные волны. Кроме того, есть волны поверхностные, Рэлея, Лява и множество других типов волн, в зависимости от свойств границ, находящихся в звукопроводящей среде. Каждый тип упругих колебаний характеризуется своей скоростью и траекторией движения колеблющихся частиц относительно направления распространения конкретного типа колебаний.
Звукопроводность горных пород, непременно обладающих какой-то трещиноватостью, зависит от частоты поля упругих колебаний. Чем больше частота поля упругих колебаний, тем быстрее оно затухает. В общем случае, горные породы являются фильтром нижних частот. То есть, чем выше частота, тем больше затухание.

Все эти так хорошо понятные акустические свойства горных пород строго описаны математикой. Основоположником такого подхода является математик Пуассон, который в первой трети XIX века математически описал идею сейсморазведки. С тех пор математический аппарат сейсморазведки очень расширился. Но, к сожалению, несмотря на это, сейсморазведка почему-то не дает вообще никакой информации.

Попробуем разобраться с этим

Пункт 1.

Если этот пункт действительно выполняется на практике, то это значит, что принцип локации должен работать в земной толще так же, как он работает в воздухе и в воде. То есть, тогда сейсморазведка должна работать.

Я несколько лет работал на кораблях Северного флота, где занимался ремонтом и настройкой гидроакустических станций. В ходе окончательной настройки гидролокационных станций обязательно производится проверка характера искажений зондирующего сигнала. Зондирующий, излучаемый гидролокатором импульс обязательно искажается по мере распространения его в воде, но эти искажения не должны быть сильно ощутимыми. То есть, форма импульса сохраняется. Этот импульс существует на всем протяжении его распространения от излучателя до отражающего объекта и на всем протяжении его распространения уже как эхо-сигнала от отражающего объекта до приемника гидролокатора.

К сожалению, при ударном воздействии на земную толщу этот вот первичный импульс в сейсмосигнале вообще отсутствует. Вместо него возникает длительный колебательный процесс.

Подобное возможно только в том случае, если удар приходится на колебательную систему или на совокупность колебательных систем. Например, если вы ударяете пальцем по клавише рояля, тогда самого удара не слышно, а слышен только звук струны. Но какие же струны в земной толще?...

В 1977 году был обнаружен новый, ранее неизвестный тип колебательной системы. Она представляет собой объект из подавляющего большинства твердых сред. Она была названа упругой колебательной системой (УКС). В простейшем случае, это плоскопараллельная структура (пластина, слой, пласт из горных пород). И тогда же выяснилось, что земная толща по акустическим свойствам действительно представляет собой совокупность колебательных систем. Здесь на сайте у меня об этом написано во многих статьях, а также в книге [1].

Колебательные процессы в объемном резонаторе не могут быть описаны с помощью лучевого подхода. Например, колокол. При ударе по нему происходят некие синфазные колебания всей поверхности колокола.

Понятно, что, если самого излучаемого импульса не существует, то следует изучать то, что существует. А существует так называемый волновой пакет, возникающий в результате ударного воздействия на колебательную систему. Волновой пакет представляет собой затухающую синусоиду, подобно тому, как показано на рис.1.

При ударе по породному слою возникает такой вот волновой пакет (мы его увидим с помощью сейсмоприемника, прижатого к поверхности слоя), который распространяется вдоль этого породного слоя.
Рис. 1

То есть, при ударе по, допустим, породному слою, возникает такой вот волновой пакет (мы его увидим с помощью сейсмоприемника, прижатого к поверхности слоя), который распространяется вдоль этого породного слоя.

Пункт 2.

Даже если бы все действительно было так, как написано в этом пункте, убедиться в этом невозможно. Сразу возникает вопрос: что такое колеблющиеся частицы и как их можно исследовать, и как определить параметры их колебаний? Колеблющиеся частицы существуют только в воображении, и увидеть их невозможно.

В физике не может быть понятий, которые не могут быть выявлены и исследованы. Физика - это совокупность физических эффектов, и если не существует физического эффекта, с помощью которого может быть идентифицирована та или иная субстанция, то субстанция эта не должна упоминаться в физических трактатах.

Кроме того, если бы даже различные типы колебаний и существовали, то совершенно непонятно, как их идентифицировать и как определять свойственную им скорость распространения.

Неизбежно должен возникнуть вопрос: «если всё так, то откуда же взялась информация обо всех этих весьма многочисленных типах упругих колебаниях и об их скоростях...»

А нет никакой информации. Это результат математического жонглирования, которое математики называют решениями волнового уравнения для различных граничных условий. Но при этом граничные условия задают чисто мысленным путем, потому что экспериментально их определить невозможно.

То есть, содержимое этого пункта возникло в мозгу Пуассона, а сейчас существует в головах математиков, и не более того.

Пункт 3.

Написанное в этом пункте можно проиллюстрировать рисунками рис.2 и рис.3.

На рис.2 показана схема измерений прохождения поля упругих колебаний вдоль породного слоя.
Рис. 2

На рис.2 показана схема измерений прохождения поля упругих колебаний вдоль породного слоя. Измерения частотной характеристики прохождения поля осуществлялись в угольной шахте. Это очень удобно, так как угленосная толща - слоистая среда, и можно исследовать отдельные плоскопараллельные структуры. Источником и приемником поля упругих колебаний служили одинаковые пьезопреобразователи, которые упирались в кровлю подземной выработки. Пьезопреобразователь-источник поля упругих колебаний возбуждался генератором электрического напряжения звуковых частот - от 20Гц до 20КГц. Естественно, в шахтном исполнении. Электрическое напряжение с пьезопреобразователя-сейсмоприемника подавалось на усилитель, и амплитуда его I считывалась со стрелочного индикатора.

Результаты, которые ожидались, показаны графиками 1 и 2 на рис.3.

В соответствии с очевидными, общеизвестными свойствами поля упругих колебаний, распространяющегося в горных породах, предполагалось, что затухание должно увеличиваться с частотой. Различие графиков 1 и 2 заключается в том, что измерения предполагалось делать в двух различных горных выработках, причем таким образом, чтобы трещиноватость пород в этих выработках была различной. Правда, было неясно, как найти выработки с различной трещиноватостью пород, залегающих в кровле, и как определять эту трещиноватость.

Но это и не понадобилось, так как на практике получилась зависимость, геометрически подобная графику 3.

Что может означать такой график? Так вот, частотная зависимость звукопроводности, проиллюстрированной графиком 3, оказалась геометрически подобной спектральному изображению затухающего синусоидального процесса. Это был для меня колоссальный сюрприз. Дело в том, что я имею радиотехническое образование, и при обучении нам давали раздел математики, который называется спектрально-временными преобразованиями. Без этих знаний невозможно было изучать электрические контура, которые составляли основу целого ряда радиотехнических дисциплин.

Колебательные контура (иначе говоря, электрические колебательные системы) - очень важный элемент радиотехники, и если бы (в 70-х годах XIX века) они не были открыты (тоже случайно) лордом Кельвином, то не было бы никакой радиотехники и всего того, что она нам дала.

График 3 на рис.3 - это одновременно и спектральное изображение затухающей синусоиды, возникающей в результате ударного воздействия на колебательную систему, и спектральное изображение самой колебательной системы (ее проходная или передаточная характеристика). Любой колебательной системы. Будь то электрический контур или маятник, или пружина, или струна. И если передаточная функция (а мы ведь своими измерениями в шахте фактически снимали передаточную функцию) объекта имеет форму, геометрически подобную частотному графику 3, то этот объект является колебательной системой.

Так, если проходная частотная характеристика усилителя геометрически подобна графику 3 на рис.3, то если подать на вход усилителя короткий импульс, на его выходе получим затухающую синусоиду.

Что касается синусоидальной формы возникающего при ударном воздействии сигнала, то синусоида имеет совершенно особые свойства. Синусоида является элементарным информационным кирпичиком, и ее нельзя ни разложить на более простые функции, поскольку таких функций просто нет, ни получить с помощью интерференции. Затухающая синусоида может быть получена только в результате ударного воздействия на колебательную систему.

На рис.4 проиллюстрирован физический смысл сказанного выше.

Синусоида является элементарным информационным кирпичиком, и ее нельзя ни разложить на более простые функции, поскольку таких функций просто нет, ни получить с помощью интерференции. Затухающая синусоида может быть получена только в результате ударного воздействия на колебательную систему.
Рис. 4

Любая колебательная система на ударное воздействие реагирует затухающим синусоидальным (гармоническим) сигналом, который на рис.4а показан на временной оси, а на рис.4b - на частотной оси. Или, иначе говоря, на рис.4b этот сигнал показан в спектральном виде. Гармонический затухающий сигнал имеет длительность, определяемую скоростью затухания α. Изображения а и b на рис.4 являются как бы синонимами. Оба эти изображения содержат информацию о собственной частоте колебательной системы f₀ и о добротности Q. Добротность колебательной системы Q определяет скорость затухания α (показано на рис.4a) сигнала, возникающего в результате ударного воздействия на колебательную систему. Добротность обратно пропорциональна затуханию α.

На рис.4b добротность равна максимальному значению зависимости A(f), которая называется плотностью спектра.

Я описываю это так подробно, потому что раздел математики «спектрально-временные преобразования» преподаётся только студентам радиотехнических и электротехнических специальностей. А геофизикам этот материал неизвестен. И поэтому, если бы этот шахтный эксперимент осуществлял не радист, то он бы полученные результаты понять не смог.

В одной из статей бывшего директора Института Физики Земли Садовского М.А. приведена частотная характеристика сейсмосигнала, геометрически близкая рис.4b, но она истолковывается как результат повышенного напряженного состояния горных пород на частотах, близких к f₀...

Здесь я даю этот материал очень упрощенно и примитивно, исключительно в ракурсе физического смысла. А если кто владеет прямым и обратным Фурье-анализом, может разобраться в этом более детально.

Как показали дальнейшие исследования, которые продолжаются и сейчас, плоскопараллельная структура из подавляющего большинства известных материалов является единичной колебательной системой. Этого раньше никто не знал, так как из соображения очевидности этого просто не может быть. Любая колебательная система обладает собственной частотой f₀, которая определяется параметрами этой колебательной системы. Собственная частота УКС определяется следующим соотношением:

h = λ = V / f₀ или f₀= V /h (1)

Здесь:

λ - длина волны;

h - толщина слоя-резонатора;

V - скорость распространения волнового пакета вдоль слоя-резонатора.

Величина скорости V для всех горных пород равна 2500м/с с погрешностью, не превышающей 10%.

Определив величину f₀, можно без труда с помощью соотношения (1) определить h, чем мы и занимались 16 лет в шахтах после открытия УКС. Величина h₁ (показана на рис.1) - это ключевая информация для прогнозирования обрушения пород кровли, и получить ее значение другим неразрушающим способом невозможно. За эти 16 лет более чем на 200 шахтах всех угольных регионов СССР, эксплуатировавших нашу аппаратуру (известную как аппаратура «Резонанс») не произошло ни одного внезапного обрушения пород кровли.

Плоскопараллельные структуры-резонаторы обладают целым рядом интересных свойств. Одно из них заключается в том, что собственные их упругие колебания, возникающие в результате ударного на них воздействия, распространяются вдоль этих структур, не выходя за их пределы, и при этом с весьма незначительным затуханием.

В случае слоистого строения земной толщи (осадочный чехол) при ударном воздействии на земную поверхность собственные упругие колебания возникают во всех существующих в зоне измерений породных слоях, и все эти волновые пакеты распространяются вдоль слоев-резонаторов в направлениях, параллельных земной поверхности. Если по каким-то, чаще всего, геологическим причинам породные слои-резонаторы прерываются, то соответствующие волновые пакеты отражаются от этих разрывов и распространяются в обратном направлении. При этом в зоне удара этот процесс может проявиться эхо-сигналом, который имеет форму, близкую к форме волнового пакета (рис.1).

Необходимо отметить, что эхо-сигналы приходят не снизу, а сбоку. Понятно, что если вся логика интерпретации в сейсморазведке заточена под приход эхо-сигналов снизу, а они на самом деле приходят сбоку, то совпадения сейсморазрезов с геологическими разрезами быть не может.

Измерения, описанные выше, оказали огромное воздействие на развитие процесса понимания физики поля упругих колебаний. Они еще раз показали, что одно измерение дает больше толку, чем многолетние обсуждения разного рода кажущихся очевидностей.

Обобщение реальных акустических свойств земной толщи с учетом наличия в ней колебательных систем позволило сформировать новый геофизический метод - спектрально-сейсморазведочное профилирование (ССП). При этом на счету ССП уже имеются новые, неизвестные ранее типы геологических объектов, месторождения неизвестного ранее типа и возможности прогноза техногенных катастроф. Метод ССП не требует наличия априорных данных и позволяет работать, что называется, с закрытыми глазами, и поскольку он основан на положениях, каждое из которых имеет экспериментальное подтверждение. Так что, я полагаю, в ближайшем будущем этот метод заменит фактически неработающую лучевую сейсморазведку.

Очевидность - огромная сила для формирования мнения людей, не владеющих основами физики. Непроверенная очевидность - это путь в тупик, но это знают только физики. Недаром физика изначально называлась натурфилософией. В такую историю физики, знакомые с азами философии, с методологией, никогда бы не попали.

Ученые, занимающиеся развитием сейсморазведки, не являются физиками. Они математики. Они математики очень высокого уровня, но не физики. И поэтому не понимают истинной роли очевидности в жизни физики. А, кроме того, многие из них имеют своей задачей, как они говорят, «подтягивание» результатов сейсморазведки к геологическому разрезу. Иначе говоря, они занимаются подгонкой под ответ. Такое даже комментировать неудобно.

Геофизики ведь не виноваты, что им не читали спектрально-временные преобразования, как и математики не виноваты в том, что они не знают того, что не может математика перевести гипотезу в ранг теории. А также то, что математика является инструментом физики только в том случае, если аргументы уравнений могут быть определены экспериментально.

Ни один сейсморазведчик Мира не согласится осуществлять сейсморазведку, если у него нет априорной информации о геологическом строении в данной точке. Это известно. А если кому-то неизвестно, то это легко проверить. Попробуйте заказать сейсморазведочные работы, если у вас нет разреза, полученного с помощью разведочной скважины. У вас ничего не получится. И уже один только этот факт свидетельствует об истинной эффективности и самостоятельности сейсморазведки.

О несамостоятельности сейсморазведки было известно уже к середине ХХ века. Но многие ученые никак не могли представить себе такого откровенного обмана со стороны сейсморазведчиков. И тогда возник международный проект, предназначенный для проверки этого момента. Этот проект известен как «Кольская сверхглубокая скважина». Идея его состоит в следующем. В некотором регионе осуществляется сейсморазведка. Затем результаты интерпретации прячут в сейф и после этого бурят скважину на максимально возможную глубину. После завершения бурения описывают керн и строят разрез. После этого сравнивают этот разрез с тем, который получен с помощью сейсморазведки и лежит в сейфе.

Всё так и сделали. Точка бурения была выбрана на Кольском п-ове. Пробурить удалось до 13 с чем-то километров. Завершилось бурение по причине обрыва троса. В результате сравнения разрезов оказалось, что между ними нет ни малейшего сходства. Но при этом на глубину до 300 метров сходимость была стопроцентная. Расследование показало, что когда осуществлялась сейсморазведка, бурение достигло отметки 300м. думаю, здесь комментарии не нужны.

В итоге, международное научное сообщество приняло решение результаты этой работы... засекретить. От кого же, казалось бы? Да от тех, кто платит деньги сейсморазведчикам.

История физики знает подобные случаи. Они, конечно, затормаживают процесс развития познания, но, в конце концов, эксперимент всегда побеждает всяческие заблуждения. Будем ждать, когда это произойдет.

Литература

1. Гликман А.Г. Основы спектральной сейсморазведки. Изд. LAP LAMBERT Academic Publishing 232с. 2013-12-29